Summary
Una cella a taglio è sviluppato per piccoli angoli misure di scattering di neutroni nel gradiente piano velocità-velocità di taglio ed è utilizzato per caratterizzare fluidi complessi. Misure risolta spazialmente nella direzione del gradiente di velocità sono possibili per lo studio dei materiali shear-banding. Le applicazioni includono ricerche di dispersioni colloidali, soluzioni polimeriche e strutture auto-assemblate.
Abstract
Un ambiente nuovo campione di scattering di neutroni a basso angolo (SANS) ottimizzato per studiare la microstruttura dei fluidi complessi inferiore a semplice flusso di taglio è presentato. La cella shear SANS costituito da un cilindro geometria Couette concentrica che viene sigillato e girevole attorno ad un asse orizzontale in modo che la direzione vorticità del campo di moto è allineato con il fascio di neutroni consentendo dispersione dal piano 1-2 di taglio (velocità-gradiente di velocità rispettivamente). Questo approccio è un progresso rispetto ambienti campione cellulare shear precedenti in quanto vi è un forte accoppiamento tra la reologia rinfusa e caratteristiche microstrutturali nel piano di taglio 1-2. Flow-instabilità, come shear banding, può anche essere studiato da misure spazialmente risolte. Ciò si ottiene in questo ambiente campione utilizzando una stretta apertura per il fascio di neutroni e la scansione lungo la direzione del gradiente di velocità. Tempo di esperimenti risolti, come il flusso di start-up e grande ampiezza oscillatoria leiflusso di Ar sono possibili anche dalla sincronizzazione del moto di taglio e la rilevazione risolta nel tempo di neutroni sparse. Risultati rappresentativi utilizzando i metodi descritti qui dimostrano la natura utile di risoluzione spaziale per la misurazione della microstruttura di una soluzione micellare wormlike che presenta bande di taglio, un fenomeno che può essere studiata solo risolvendo la struttura lungo la direzione del gradiente di velocità. Infine, i potenziali miglioramenti al disegno corrente vengono discusse insieme con suggerimenti per esperimenti supplementari come motivazione per futuri esperimenti su una vasta gamma di fluidi complessi in una varietà di movimenti di taglio.
Introduction
Sviluppare una comprensione scientifica di un fenomeno naturale richiede misurazioni accurate e precise. Metrologia è anche la base di ingegneria di successo e progettazione di nuovi processi e materiali. Reologia è la scienza della deformazione e flusso di materia. Reologia è centrale nella nostra capacità di trattare un'ampia varietà di materiali e viene utilizzato anche da formulatori di prodotti di indirizzare specifiche proprietà del materiale. Tipici esempi del primo tipo sono i polimeri per stampaggio o materiali compositi che costituiscono, mentre il secondo comprende lo sviluppo di prodotti di consumo quotidiano come vernici, shampoo e prodotti alimentari. Se la viscosità di un polimero fuso è controllato in modo che possa essere effettivamente stampato ad iniezione o la viscoelasticità di uno shampoo viene modificata in modo che abbia la giusta consistenza per il consumatore, le proprietà reologiche sono controllati modificando la formulazione del materiale 1. La reologia dei materiali e prodotti dipende anche tha strutturare allo stato fluido e questa struttura spazia dalla microscala alla nanoscala. Inoltre, questa struttura cambia con i parametri di processo, quali portata e tempo di flusso, che sfida rheologists per misurare la struttura durante il flusso. È questa la sfida che si incontra, in parte, dalla nuova strumentazione descritto in questo articolo.
Nuove tecniche in grado di sondare la microstruttura di materiali morbidi sotto flusso di taglio possono beneficiare morbido ingegneria di prodotto condizione materiale e lavorazione di ottimizzazione. Molte sfide intriganti e di lunga data per l'applicazione di materiali morbidi in una varietà di industrie e nella scienza fondamentale coinvolgere comportamento del flusso insolito, come ad esempio taglio ispessimento in sospensioni colloidali 2, taglio e vorticità bande in micelle wormlike 3, ed eterogeneità inerenti alla flusso di gel colloidali 4-6. Rheologists sono costantemente chiamati a chiarire la microstruorigini ctural delle nonlinearità nelle risposte reologiche e talvolta anche nel campo di velocità di taglio materiali viscoelastici. Questa sfida richiede acquisizione simultanea della microstruttura in funzione sia della posizione spaziale nel campo di flusso e il tempo comportamenti dipendenti, che si è dimostrato un compito arduo per sperimentali.
Piccolo angolo di scattering di neutroni (SANS) è particolarmente adatto per la misurazione della struttura di fluidi complessi come può sondare materiali che sono opachi alla luce. Inoltre deuterizzazione selettiva può essere utilizzato per fornire contrasto tra componenti che possono sembrare simili sotto raggi X di scattering 7. Inoltre, i neutroni hanno un vantaggio rispetto ai raggi X in quanto non vi è alcun danno da radiazione dei campioni soft-materia biologici o di altro. Negli esperimenti qui illustrati, neutroni freddi generati da un reattore o una fonte di spallazione sono collimati e illuminate su un campione. L'intensità yi dispersioneelds informazioni sulla struttura del materiale su scale di lunghezza dalla atomico a centinaia di nanometri (e con ultra-piccolo angolo di scattering di neutroni fino a decine di micron), ma nella forma di una trasformata di Fourier della struttura spazio reale. Pertanto, l'interpretazione dei dati può essere difficile e comporta una trasformazione inversa o rispetto ai modelli microstrutturali o simulazioni. Più su SANS strumentazione, esperimenti, e la corrispondenza di contrasto può essere trovato su i tutorial pubblicati sul sito web del Centro per Neutron Science, www.cns.che.udel.edu.
Qui si descrive una cella di taglio progettato per estendere il metodo SANS di esaminare i materiali in condizioni di flusso. Una recente rassegna della metodologia generale e strumentazione, così come una revisione della letteratura sostanziale delle applicazioni recenti può essere trovato in riferimento 8 ei riferimenti ivi citata. Un ambiente comodo e quasi ideale per sondare la struttura fluido in flusso di taglio conSANS è una stretta geometria gap Couette, noto anche come cilindri concentrici 9. Questa geometria applica una semplice (cioè laminare) flusso di taglio al campione, pur mantenendo un volume ostruita sufficiente per il fascio di neutroni incidente. L'applicazione del flusso rompe la simmetria della microstruttura, come tale caratterizzazione completa della microstruttura di un materiale in semplice flusso di taglio richiede misurazioni microstrutturali nei tre piani di taglio. Due piani di taglio possono essere studiati utilizzando la configurazione geometria Couette standard (Figura 1a): il fascio di neutroni è configurato per spostarsi lungo la direzione del gradiente di velocità e sondare la velocità-vorticità (1-3) piano di taglio (configurazione "radiale") , in alternativa, il fascio viene collimato da una fenditura sottile e allineati parallelamente alla direzione di flusso, sondando così il gradiente di velocità-vorticità (2-3) aereo (configurazione "tangenziale"). Questo strumento è disponibile commercially ed è stato recentemente documentato per l'esame di fluidi complessi in taglio 10. La revisione descrive l'uso e che di relativi dispositivi per la determinazione della struttura-proprietà in una vasta gamma di materiali e applicazioni 8. Esperimenti risolte nel tempo, come per i flussi di taglio oscillatori sono stati riportati anche 11, 12.
Spesso l'aereo più interessante e più importante di flusso è il gradiente di velocità-velocità (1-2) aereo (Figura 1b), ma è anche il più difficile da indagare quanto richiede strumenti speciali. Una cellula taglio personalizzato è stato progettato per consentire indagine diretta del gradiente di velocità-velocità (1-2) aereo da SANS tale che il fascio di neutroni muove parallelamente all'asse vorticità di taglio 13-16. Misurazioni all'interno del piano di flusso 1-2 sono fondamentali per ottenere una comprensione quantitativa per la viscosità di taglio perché elucidmangiato l'orientamento della struttura rispetto alla direzione di flusso 15, 17, 18. Questo è importante per materiali come polimeri, tensioattivi auto-assemblati, colloidi, e altri fluidi complessi. Inoltre, è possibile indagare microstruttura dei materiali 'in funzione della posizione di tutti i gap nella direzione del gradiente di flusso di taglio. Con l'aggiunta di risoluzione spaziale, il metodo fornisce un mezzo per studiare materiali che presentano variazioni microstrutturali lungo la direzione del gradiente di taglio. Un esempio per cui eventuali modificazioni della microstruttura e composizione lungo la direzione del gradiente di flusso è shear-bande. Shear bendaggio è un fenomeno causato da un accoppiamento tra la microstruttura e la direzione del flusso che si traduce in un campo di flusso disomogeneo 13. In questo articolo, descriviamo lo strumento, il suo montaggio e la tecnica di misurazione del flusso-SANS come attuata presso il Centro NIST per Neutron Research (NCNR) presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) in Gaithersburg, MD. Questo ambiente campione è il risultato di una collaborazione tra l'Università di Delaware, NIST e l'Institut Laue-Langevin (ILL), ed è stato attuato con successo sia a ILL e NIST. Ai fini del presente articolo, in cui le SANS parti specifiche del protocollo sono interessati, la tecnica è descritta come attuata al NIST. Tuttavia, modificando i dettagli specifici strumenti deve essere semplice e la tecnica generale può essere implementata su qualsiasi strumento SANS per il flusso costante (paragrafo 5.1). Inoltre, strumenti dotati di capacità di SANS risolte nel tempo possono anche eseguire oscillatori taglio esperimenti di flusso SANS (sezione 5.2). Disegni tecnici dei componenti cellulari taglio sono forniti come figure 12-23.
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Protocol
La Figura 2 mostra una cella di taglio assemblata collegato alla piastra, che è montato per la basetta sulla scena ambiente campione e allineato nel fascio di neutroni per un esperimento SANS. Il motore passo-passo, riduttore e trasmissione a cinghia, spacco fase motore, cellula taglio e la direzione del fascio di neutroni sono etichettati in Figura 2. Il presente protocollo fornisce indicazioni per il montaggio della cella di taglio (sezione 1), montare la cella di taglio sul palco ambiente campione (sezione 2), calibrando la geometria di un esperimento di SANS (sezione 3), il caricamento di un campione (sezione 4), in esecuzione una raccolta esperimento e dati (sezione 5) e termina un esperimento (sezione 6). Per riferimento, la Figura 3 è uno schema della cella assemblata e la Figura 4 mostra le parti smontate cellulari taglio disposte dalla piastra anteriore a quella posteriore piastra, da sinistra a destra, e gli strumenti necessari per il montaggio (1/16 e 3/16 in Allen wrenches e 3/8 in chiave fissa). Da sinistra a destra in figura 4 sono il pannello frontale, il cuscinetto, boccola a molla, O-ring, finestra di quarzo, piastra centrale con O-ring, le porte di accesso del campione e connettori siringa, le viti di regola, anima, e le parti per la piastra posteriore (finestra di quarzo, O-ring, boccola a molla, cuscinetti), piastra posteriore, quattro viti a brugola e veloce collegare il tubo di raffreddamento con innesti rapidi collegati.
1. Montare la cella Shear (Inset a destra nella figura 2)
- Preparare il piatto centrale per il montaggio.
- Pulire la piastra intermedia compresa campione e percorsi vite di fermo e identificare la parte superiore della piastra dal marchio punteggio.
- Sigillare le vie del campione di carico con le tre set-viti. Avvolgere ogni vite situato in nastro di tenuta del filo e utilizzare un 1/16 in chiave a brugola da inserire ogni vite in ogni foro presso il "bottom" (2) e un set-vite nel foro sul "lato".
- Preparare le piastre posteriori e anteriori per il montaggio (Figura 5).
- Premere adatta il cuscinetto in ciascuna delle piastre anteriori e posteriori.
- Inserire la boccola a molla (che è un sigillo) con la primavera-lato aperto verso il campione in piastre anteriori e posteriori.
- Posizionare il piccolo (1-5/8 in ID) e grande (2-1/4 in ID) Buna-N quadrati doppia guarnizione O-ring nelle scanalature ciascuna delle piastre anteriore e posteriore.
- Posizionare le finestre di quarzo sulla parte superiore della piazza O-ring in ogni piatto.
- Montare le piastre frontali e medie insieme.
- Posizionare la piastra anteriore su una superficie piana; allineare il punteggio sulla parte superiore delle piastre centrali e anteriori e posizionare la piastra intermedia sulla piastra anteriore. Se necessario, applicare una piccola quantità di grasso adeguato alle arrotondati O-ring in tegli piatto centrale per tenere al loro posto durante il montaggio.
- Montare il mandrino e la piastra di nuovo insieme.
- Inserire l'estremità corta dell'albero mandrino nella piastra posteriore. Utilizzare uniformemente applicata la forza e il mandrino sarà "clic" in posizione. Prendere atto che il mandrino sta tenendo la finestra di quarzo e O-ring quadrati posto sulla piastra posteriore.
- Montare la piastra frontale, piastra centrale, mandrino e piastra posteriore insieme.
- Posizionare la parte anteriore e l'assemblaggio mezzo piatto su una piattaforma rialzata con la piastra centrale rivolto verso l'alto. Questa piattaforma rialzata è consentire spazio per l'albero mandrino di estendere al di sotto del gruppo senza colpire il tavolo.
- Allineare il punteggio sulla parte superiore della piastra frontale con il punteggio sul gruppo piastra posteriore.
- Inserire la parte lunga dell'albero mandrino nella piastra frontale. Assicurarsi che i arrotondati O-ring sul piatto centrale rimangono seduti correttamente durante il montaggio. La cella wdiapositiva malato insieme e ancora, "click" se correttamente montato.
- Avvitare il gruppo insieme utilizzando le quattro viti a brugola e un 3/16 in chiave a brugola. Serrare le viti in un cross-pattern modo che il cellulare mantiene concentricità.
- Avvolgere filo nastro sigillante attorno alle due porte di accesso e avvitarli nella parte superiore della piastra centrale. Serrare con un 3/8 in chiave aperta.
- Posizionare la maschera cadmio (figura 6) nella fessura di ricezione ricavata nella parte anteriore della piastra anteriore. Applicare il nastro o tack per tenere la maschera in posto se necessario.
- Utilizzare i innesti rapidi cross-collegare il tubo del refrigerante tra i porti migliori sulle piastre anteriori e posteriori.
2. Montare la cella Shear nel Beamline
- Coprire la finestra del rivelatore SANS con lo scudo di sicurezza.
- Chiedere al responsabile scienziato strumento struttura per allineare il palco ambiente campione con il fascio di neutroni. Montare la basetta alla fase all'ambiente esempio utilizzando quattro ¼ x 20 a testa cilindrica viti a brugola e un 3/16 in chiave a brugola.
- Fissare il gruppo della cella di taglio alla staffa di cellulare di montaggio che si trova sulla piastra di base (già allegato alla basetta (Figura 7)).
- Identificare la staffa e albero accoppiatore cella montaggio collegato alla piastra (Figura 8). Assicurarsi che le viti fissate per il raccordo dell'albero sono allentati.
- Allineare l'accoppiatore albero e l'albero mandrino, i set-viti sul accoppiatore avvitare nella parte piatta dell'albero mandrino.
- Far scorrere orizzontalmente la cella taglio nella staffa cellula-montaggio in modo che il gruppo si presenta come quello mostrato in Figura 8. Questa operazione deve essere eseguita con cura poiché è importante non piegare l'albero mandrino o l'accoppiatore albero.
- Fissare il gruppo della cella di taglio alla staffa di cellulare di montaggio con due brugolacap-viti utilizzando un 3/16 in chiave a brugola. Serrare sempre assicurandosi la cella di taglio è a filo contro la staffa di montaggio cellulare.
- Serrare le due set-viti sul connettore dell'albero utilizzando una 1/16 in chiave a brugola per collegare l'albero del mandrino cellule taglio al gruppo di azionamento.
- Allineare la geometria della cella taglio con il fascio di neutroni.
- Utilizzare il laser per regolare la fase ambiente campione SANS tale che l'altezza dell'albero mandrino è uguale al fascio di neutroni. Allineare il centro del gap nella cella taglio al centro della linea di luce percorso neutroni.
- Inserire l'appropriato fessura cadmio nell'assieme fase motore fessura che è montato sulla basetta (Figura 8). Fissare la fessura con l'aderenza, se necessario.
Nota: La fessura dovrebbe essere a filo con la piastra frontale e circa posizionati all'interno del gap della cella taglio. Scegliere la fessura di conseguenza per l'esperimento desideri. Per i gap risoluesperimenti 0,1 mm e 0,2 millimetri sono disponibili fessure curve. Considerando che per misure che non richiedono risoluzione spaziale una fessura rettangolare 0,8 millimetri è consigliabile. - Spostare la posizione del motore con la manovella per regolare la tensione della cinghia di trasmissione in modo che rimane circa ¼ deflessione nella cintura. La catena è tesa correttamente, bloccare la posizione del motore serrando la vite di fermo situato sotto la ruota con un 7/64 in chiave a brugola.
Nota: Un riduttore opzionale può essere aggiunto al gruppo motore. Questa opzione può essere necessario sulla base dei tassi di taglio necessario necessario per un esperimento specifico. - Collegare i due tubi del bagno refrigerante alla cella taglio utilizzando le innesti rapidi.
- Regolare le telecamere di osservazione o altre attrezzature ausiliarie specifiche per osservare l'esperimento.
- Rimuovere la protezione di sicurezza proteggendo la finestra del rivelatore SANS.
3. Setup SANS e calibrazione
- Collegare un 0.5 in &# 160; apertura sulla estremità del muso sul fascio di neutroni incidente.
- Impostare la posizione desiderata SANS rilevatore (q-range), lunghezza d'onda di neutroni, e la diffusione di lunghezza d'onda secondo protocolli SANS standard e ottimizzati per le condizioni sperimentali.
Nota: Il calcolo della distanza da campione a rivelatore è basato sulla scena ambiente campione situato sul "tavolo Huber". - Allineare la posizione fessura con la fessura della cella taglio.
- Utilizzare la fase motore fessura (Figura 8) per allineare la posizione fessura con la fessura della cella taglio. Utilizzare un laser per emulare il fascio di neutroni e uno specchio per rilevare il laser una volta che passa attraverso le finestre di quarzo all'interno del gap del gruppo della cella di taglio.
- Ottimizzare la posizione della fessura mediante misure di trasmissione SANS. Sistematicamente variare la posizione del motore fessura dalla parete interna del gap cella taglio alla parete esterna del gap cella shear utilizzando passi 0,1 millimetri traduzione fessura motore.Osservare la trasmissione (tipicamente 2 sec) utilizzando SANS e registrare la posizione del motore fessura per ogni misura di trasmissione (Figura 9).
Nota: Se si desidera risoluzione spaziale, identificare le posizioni necessarie per gli esperimenti SANS motore. Se la risoluzione spaziale non è necessario identificare la posizione unico motore che allinea la fessura con la metà del gap cella taglio. Allineamento della fessura con il divario nella cella di taglio è di fondamentale importanza per il completamento di un buon esperimento. E 'anche possibile (e consigliato) utilizzare acqua per allineare la posizione della fessura utilizzando misure trasmissive SANS. L'utilizzo di acqua riduce la trasmissione e fornisce contrasto con l'alloggiamento cella shear (Figura 9).
Nota: Caricare l'acqua nella cella seguendo il protocollo di caricamento del campione (sezione 4). L'utilizzo di acqua in genere richiedono la cella taglio da rimuovere dalla piastra di base, smontato, asciugato, rimontato e rimontato per la piastra di base prima di caricare il sample per l'esperimento. Finché la piastra di base non viene rimosso dal palco ambiente di esempio questo non dovrebbe essere un problema, ma è sempre importante verificare l'allineamento fessura con il divario.
- Calibrare la geometria del campione
- Eseguire un conteggio di buio fascio bloccato e una misura cella vuota secondo procedure standardizzate SANS. Si noti che le misurazioni di celle vuote devono essere eseguite in ogni posizione spaziale come determinato dalla taratura fessura eseguita nella sezione 3.3.
4. Sample Loading protocollo
- Posizionare lo schermo di protezione nella finestra del rivelatore SANS.
- Montare le due connettori siringa (nylon) e infissi siringa filettati (blu e giallo) ai tubi di acciaio nella parte superiore della cella campione. Assicurarsi che i rubinetti siano in posizione chiusa.
- Precaricare la campione in un siringa da 10 ml (volume di campione minimo è di 6 ml) filettati. Assicurarsi che il campione è privo di bolle.
- Eliminare le bolle da una centrifugazione leggera o riscaldamento del campione per ridurre la viscosità del campione durante il caricamento della siringa. Se il campione è riscaldato, è consigliabile che la temperatura della cella di taglio è aumentata anche per facilitare il caricamento del campione.
- Collocare una siringa vuota senza lo stantuffo sul connettore nel mezzo della cella taglio per ricevere campione in eccesso (Figura 8).
- Porre la siringa campione sull'altro connettore (Figura 8).
- Aprire entrambi i rubinetti.
- Iniettare il campione lentamente fino a quando il campione inizia ad entrare nella siringa vuota.
- Rimuovere eventuali bolle d'aria dallo spacco della cella taglio.
- Ruotare il comando motore spento a sbloccare il motore e la cintura in essere spostato manualmente.
- Tranciare il campione a mano per contribuire a spostare le bolle alla parte superiore della cella di taglio, quale ulteriore iniezione campione tipicamente spingere la bolla nella presae fuoriuscire dalla fessura cella taglio.
- Chiudere i rubinetti per bloccare il campione nella cella.
- Cambiare la temperatura del bagno d'acqua alla temperatura desiderata sperimentale, la storia e la condizione di taglio del campione a seconda dei casi.
- Verificare eventuali bolle (e farlo regolarmente durante il corso dell'esperimento). Se si osservano bolle; aprire i rubinetti, utilizzare la rotazione per spostare le bolle all'inizio della zona di taglio, e iniettare campione aggiuntivo per spingere le bolle d'aria dalla zona di taglio della cella.
- Rimuovere la protezione della sicurezza e gli eventuali strumenti e materiali estranei dalla zona trave.
5. Esecuzione dell'esperimento Shear e raccolta SANS dati
- Per semplici esperimenti di taglio costante:
- Impostare la velocità di taglio nel file di controllo di taglio costante associata al software di controllo del motore (vedere la documentazione associata per il funzionamento del software di controllo del motore).
- Identificare la direzione di tagliodel campione durante l'esperimento.
- Impostare i SANS esperimenti desiderati secondo le procedure standardizzate SANS.
- Avviare il motore delle cellule taglio.
- Avviare l'esperimento SANS. Controllare i conteggi del rivelatore e osservare il modello SANS 2D per assicurare risultati SANS sono stati correttamente registrati durante taglio. Un esempio di un modello tipico osservato per le soluzioni di tensioattivi discusse nella sezione risultati rappresentativi è mostrato in Figura 10.
- Ripetere la procedura (paragrafo 5.1) per ogni frequenza di taglio desiderata.
- Per gli esperimenti di taglio oscillatori risolte nel tempo:
- Verificare la posizione del trigger per l'esperimento taglio oscillatorio. Per taglio oscillante, questo è al punto di massima tensione e minima (zero) velocità di deformazione.
- Impostare la frequenza di oscillazione e ampiezza di deformazione nel file di controllo risolta in tempo associato al software di controllo del motore (vedere la documentazione associata per Contro motoreFunzionamento l software). Si noti che l'ampiezza di deformazione è definito secondo l'ampiezza della deformazione applicata centrato a zero e rappresenta l'ampiezza di deformazione reologicamente definito.
- Avviare il motore delle cellule di taglio per l'esperimento taglio oscillatorio.
- Avviare l'esperimento SANS. Controllare i conteggi del rivelatore e osservare il modello 2D per assicurare SANS è correttamente in fase di registrazione durante la tosatura oscillatorio.
- Copiare il file di log rivelatore di neutroni a tempo timbrato da nisto a Charlotte e pre-elaborare i dati utilizzando il software fornito dal NCNR.
- Ridurre i dati preprocessati impostati con il pacchetto software di riduzione in IGOR.
- Ripetere la procedura (paragrafo 5.2) per ciascuna, la frequenza di oscillazione desiderato e la tensione condizione di ampiezza.
6. End of Experiment
- Spegnere il fascio di neutroni e il controllo motorio.
- Posizionare lo schermo di protezione nella finestra del rivelatore SANS.
- Lasciate che il campione ed apparecchi stand nel fascio chiuso per 5 min. Eseguire un controllo standard di radiazioni prima di rimuovere la cella di taglio dalla piastra di base.
- Aprire i rubinetti sulle porte di esempio e ritirare o spingere fuori l'esempio utilizzando le siringhe campione. Recuperare il campione, chiudere i rubinetti, e rimuovere le siringhe.
- Spegnere il bagno a temperatura. Staccare i tubi di raffreddamento bagno fluido dalle porte a connessione rapida cellulari taglio.
- Allentare le viti a brugola sul accoppiatore albero tra il mandrino e l'albero motore con un 1/16 in chiave a brugola. Utilizzare un 3/16 in chiave a brugola per svitare le due viti a brugola che fissano la cella di taglio alla staffa di cellulare di montaggio. Far scorrere la cella di taglio fuori dalla staffa di montaggio cella.
- Smontare la cella taglio invertendo il protocollo di montaggio (sezione 1 del protocollo).
- Pulire la cella di taglio con acqua e sapone. Risciacquare e asciugare accuratamente.
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Representative Results
Risultati rappresentativi di un esperimento flusso SANS successo sono riportati nelle figure 9, 10 e 11. Questi esempi sono da indagini effettuate su una soluzione wormlike micella (WLM) (Tabella 1), noto per esibire bande di taglio durante certe condizioni di taglio. Una discussione completa delle scoperte scientifiche in cui si trovano i riferimenti 15-17.
Figura 10 rappresenta i risultati di un modello di dispersione ottenuta sotto flusso di taglio utilizzando la cella di taglio. Il campione studiato è una micella viscoelastico wormlike soluzione (WLM) composto lunga, impigliato filiformi micelle auto-assemblati molecole anfifiliche 13-15. La composizione della soluzione studiata è riportata nella Tabella 1. Su tranciatura questi sistemi la soluzione WLM dimostra comportamento assottigliamento taglio come conseguenza di una combinazione complessa di allineamento flusso micella, districamento, e possibilmente micelle rottura (Vazquez-Cook-McKinley (VCM) modello 19). Una complessità particolarmente interessante in questi sistemi è l'insorgenza di taglio strisce. Shear fissaggio è stata inizialmente osservata visivamente come bande birifrangenti vicino alla parete rotante di una geometria Couette 20. Durante shear fascettatura il campo di flusso separa in due o più regioni, o "bande", ciascuna con una diversa velocità di taglio caratteristica come illustrato nelle Figura 9. Per il WLM studiato qui, due bande formano sufficientemente elevato shear rate - uno con un gradiente di velocità superiore al previsto, valore medio, e uno alla velocità di taglio inferiore. Queste bande coincidono con il plateau sollecitazione osservata in allo stato stazionario misurazioni taglio Reometria (Figura 11).
Una domanda primario in materia di taglio banding è lo stato microstrutturale del tensioattivo a tassi di taglio dove è osservata taglio banding. Era sconosciuta di come tensioattivo organizzato in alta shfascia orecchio relativo alla banda bassa di taglio. Il nuovo strumento SANS cellulari taglio con risoluzione spaziale di tutti i gap è in modo unico adatta a studiare questo problema. Attraverso Reometria e flow-velocimetria misure indipendenti in una cella di Couette comparabile, la posizione delle bande di taglio sono definiti attraverso lo spazio nella cella Couette. Utilizzando un'apertura stretta fessura (0,1 mm) SANS dati vengono raccolti in diverse posizioni attraverso il divario nel gradiente di velocità-velocità (1-2) piano di taglio durante il flusso di taglio costante. Qui riportiamo i risultati di un WLM composto di tensioattivo cationico cetiltrimetilammonio bromuro (CTAB) in acqua deuterata (D 2 O) a 0.49 mol / L (490 mm) e 32 ° C 6. Misurazioni Flow-SANS vengono eseguite a otto posizioni attraverso il divario Couette 1,0 millimetri traducendo sistematicamente l'apertura a fessura 0,1 millimetri attraverso la finestra nella cella taglio. Figura 11 mostra una sintesi visiva dei risultati, dove l'anello intensità è un picco di correlazione due alle interazioni segmento del segmento. Anisotropy in questo anello indica l'allineamento del flusso segmentale, con l'alta allineamento tipico di una fase nematica. Una differenza significativa dispersione anisotropia si osserva tra le posizioni nelle fasce a basso taglio e high-taglio. Una spiegazione dettagliata del significato di queste misure per conseguire l'obiettivo di spiegare il meccanismo di bande di taglio come osservato nei risultati reologia e flow-velocimetria possono essere trovate nei riferimenti 13-15. Queste misurazioni sono state recentemente esteso con successo a deformazioni dipendenti dal tempo risolte nel tempo i metodi di scattering di neutroni come descritto nella sezione 5.2 di questo lavoro e questi risultati sono stati presentati per la pubblicazione 21.
Figura 1. Un Geometria per il tempo-risolti oscillatorio Rheo-SANS (TOR-SANS) esperimenti in 1,3 e 2,3 piani di flusso. b) nuova geometria che analizza il gradiente di velocità-velocità (1-2) piano di taglio (adattato da ME Helgeson, NJ Wagner, e L. Porcar, "misure di trasmissione di neutroni di profili di concentrazione dei flussi di taglio non omogenei", Bilancio 2010, il NIST Center for Neutron Research, Gaithersburg, MD. p. 38-39, 2010).
Figura 2. L'base strumentazione 1-2 cellule taglio del SANS D22 linea di luce presso l'Istituto Laue-Langevin, Grenoble, Francia. A) vista dall'alto della strumentazione con la scatola del cambio e trasmissione a cinghia, fessura fase motore, motore passo-passo e neutroni del fascio highligh ted per chiarezza; b) vista laterale della cella di taglio con le porte di accesso di esempio allegato.
Figura 3. Schema della cella di taglio con piastra posteriore (rosso), piastra distanziale (bianco) e la piastra anteriore (blu) comprendono l'alloggiamento per il mandrino rotante.
Figura 4. Vista di tutte le parti e gli strumenti necessari per assemblare lo strumento cellule taglio 1-2 aereo smontato.
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Figura 5. Torna montaggio placca con cuscinetto, boccola a molla, due O-ring e la finestra di quarzo correttamente montati.
Figura 6. Celle taglio montato con la piastra frontale di dimostrare il corretto posizionamento del diaframma cadmio.
Figura Vista 7. Laterale dell'ambiente campione alla linea di luce D22, presso l'Istituto Laue-Langevin, Grenoble, Francia. A)Dal basso in alto: tavolo Huber, stage ambiente campione e tagliere; b) copertura di sicurezza in luogo delle cellule e montato sulla piastra di base, che è attaccato alla basetta.
Figura 8. La cella taglio assemblata completa di siringhe esempio allegato alla staffa di montaggio e cellula-albero accoppiatore sulla piastra di base.
Figura 9. Sinistra) Diagramma del flusso SANS cella shear 1-2 piano mostrando velocità (1) e le indicazioni gradiente di velocità (2) (frecce rosse) rispetto al fascio incidente (freccia blu) und senso di rotazione mandrino (freccia verde). Misure di trasmissione sono realizzati con 0,1 millimetri fessura e sono rappresentati in funzione della posizione attraverso il traferro della geometria cella taglio. Destra) L'illustrazione mostra i risultati di esperimenti SANS effettuati in due diverse posizioni del divario corrispondenti alle fasce di taglio alto e basso.
Figura 10. SANS tipici di scattering andamento osservato nel piano 1-2 per micelle vermiformi sotto flusso di taglio.
Figura 11. Sinistra) shear stress rispetto di taglio tariffa per soluzione CTAB. Le linee sono l'adattamento del modello Giesekus con (solido) e senza (tratteggiata) diffusione come descritto nel riferimento 15. Destra) SANS bidimensionali di scattering risultati per velocità di taglio applicate nominale e posizioni gap normalizzati abbracciano la transizione taglio banding per il campione CTAB. La linea nera mostra l'ubicazione misurata dell'interfaccia tra le bande alta e bassa shear-taglio. In queste figure, la direzione del flusso è verticale verso il basso e la direzione di uscita è-gradiente orizzontale a destra. (Ristampato con il permesso di riferimento 15. Copyright 2009, La Società di Reologia.)
Disegno di figura 12 Parte:. 1-2 frontale cellule taglio. ad/51068/51068fig12highres.jpg "target =" _blank "> Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.
Figura 13. Disegno di parte:. 1-2 finestra di quarzo cella shear Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.
Figura 14. Disegno di parte:. 1-2 cell taglio piatto centrale Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.
Figura 15 "fo: content-width =" 5in "fo: src =" / files/ftp_upload/51068/51068fig15highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51068/51068fig15.jpg "/>
Figura 15. Disegno di parte:. 1-2 mandrino cella shear Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.
Figura 16 Disegno Parte:.. 1-2 cellule taglio piastra posteriore Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.
F . IGURA 17 disegno Parte:. 1-2 piastra di base delle cellule taglio Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.
Figura 18. Disegno di parte:. 1-2 cell taglio di plastica rivestimento Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.
Disegno di figura 19 Parte:. 1-2 staffa anteriore cella taglio. hres.jpg "target =" _blank "> Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.
Disegno di figura 20 Parte:.. Supporto dell'albero di trasmissione 1-2 celle shear Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.
Disegno di figura 21 Parte:.. 1-2 albero di trasmissione cellulare taglio Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.
Figura 22 Disegno Parte:.. 1-2 piastra di fissaggio cella taglio Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.
Disegno di figura 23 Parte:.. 1-2 albero cella taglio accoppiatore Clicca qui per vedere l'immagine ingrandita.
| Deuterated acqua (99,9%) | Cambridge Isotopi | 7789-20-0 | 83.3% in peso della formulazione D 2 O |
| CTAB-cetiltrimetilammonio bromuro | Sigma-Aldrich | 57-09-0 | 16,7% in peso nella formulazione CH 3 (CH 2) 15 N (Br) (CH 3) 3 |
| 1/16 in chiave a brugola | |||
| 3/16 in chiave a brugola | |||
| 3/8 in chiave fissa | |||
| nastro | |||
| nastro di tenuta del filo | |||
| siringhe (2) |
Tabella 1.
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Discussion
Un nuovo strumento in grado di misurare la microstruttura di tosatura fluidi complessi nel gradiente piano velocità-velocità di taglio con piccolo angolo di scattering di neutroni è sviluppato e convalidato. Il design delle cellule taglio integra altri strumenti che utilizzano fonti di radiazioni, come X-ray e diffusione della luce, così come strumenti rheo-SANS in grado di caratterizzare la microstruttura negli altri due piani di taglio (velocità-vorticità e il gradiente di velocità-vorticità) 8 , 10. Tale strumento, sia per i flussi di carico costante di taglio e tempo, come oscillatorio o di start-up dei flussi di taglio, quest'ultimo utilizzando una metodologia stroboscopico e risolte nel tempo tecniche di scattering di neutroni 11, 12, 21. Un vantaggio di utilizzare SANS è che i metodi corrispondenti contrasto possono essere impiegati per esplorare i singoli componenti in miscele complesse e materiali che sono opachi, o mancano necessar contrastoy per X-ray scattering. Lo strumento e le modalità di flusso SANS sono stati estesi con successo per risolvere la microstruttura interna durante banding taglio 14, 15. Inoltre, come SANS è una tecnica di misura assoluta, misure della trasmissione fascio incidente attraverso il campione può essere utilizzato per determinare variazioni assolute composizione chimica attraverso il traferro Couette, recentemente dimostrato in 13. Come tale, la nuova tecnica flusso SANS è un metodo robusto e versatile per ottenere informazioni microstrutturale diretta, dal atomistico al ~ scala di lunghezza micron, su una vasta gamma di soluzioni colloidali, tensioattivi auto-assemblati, proteine e polimeri e la loro miscele in condizioni di non equilibrio. Questa strumentazione è attualmente disponibile per l'uso da presentazione delle proposte su entrambi SANS e strumenti USANS presso il Centro NIST per Neutron Research presso il National Institute of Standards and Technology negli Stati Uniti e in Europa, il neutrone D22 siaam dell'Istituto Laue-Langevin a Grenoble, Francia.
L'attuale disegno geometria cella taglio permette l'aggiunta di metodi supplementari, come dispersione della luce per la raccolta simultanea di neutroni e dispersione ottica fotoni (SNAPS) i dati, così come l'imaging microscopio diretta. Quest'ultimo può essere utilizzato per risolvere il flusso di campo in situ mediante metodi di monitoraggio delle particelle. Gli sviluppi futuri includono una maggiore sincronizzazione per i flussi dipendenti dal tempo, che attualmente è limitata a ~ 10 microsecondi di risoluzione. Naturalmente, ci sono anche limitazioni alla progettazione meccanica attuale come i tassi massimi di taglio possibili sono dell'ordine di 10 a 3 sec -1 e deformazione ampiezze e frequenze per il flusso oscillatorio sono limitate dal tempo di risoluzione, così come la fedeltà del motore. Alcuni di questi problemi sono stati risolti con riduttori supplementari. Inoltre, la viscosità del campione deve essere tale che esso può essere caricato da siringa. Tipicamente, quando possible, i campioni vengono riscaldati per facilitare il carico e consentire la rimozione di eventuali bolle d'aria durante il carico. Bisogna fare attenzione a prendere in considerazione possibili portate instabilità e slittamento della parete, che sono le preoccupazioni tipiche affrontate nel prendere le misure reologiche complementari. Vi è anche un compromesso tra la precisione del campo di moto applicata e lo spessore del campione (attualmente 5-7 mm) può limitare alcune applicazioni a causa delle preoccupazioni scattering multiplo e adsorbimento. La geometria richiede un volume di campione di ordine 6 ml, che può essere una sfida per studiare materiali rari. Come per ogni buon design, non c'è margine di miglioramento sulla cella taglio qui descritto. Infatti, lo strumento corrente è un metodo flow-SANS dal fatto che le misurazioni SANS sono realizzati mentre viene applicato un flusso di taglio simultaneo, ma con il disegno corrente non Reometria misurazioni sono possibili. Sviluppi imminenti consentirà SANS simultanee e le misure di coppia. Un vero e proprio strumento rheo-SANS perindagare il gradiente piano velocità-velocità di taglio sarà possibile dato che la sollecitazione di taglio sarà risolto dalla coppia e, quindi, sarà raggiunto Reometria simultanea e SANS misurazioni. Ingegneria nuove cellule di taglio che sono meccanicamente sigillati e magneticamente azionati è una sfida benvenuto e attualmente, disegni e costruzione della cella taglio di nuova generazione sono in corso per affrontare alcuni di questi problemi.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Noi riconosciamo il Maestro Macchinista Al Lance dell'Università del Delaware per la lavorazione della cella di taglio e il signor Cedric Gagnon per la progettazione e la redazione. Questo manoscritto è stato redatto in accordo cooperativo 70NANB7H6178 dal NIST, Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti. Questo lavoro strutture sostenute in parte dalla National Science Foundation sotto Agreement No. DMR-0944772 utilizzata. Le dichiarazioni, i risultati, le conclusioni e le raccomandazioni sono quelle dell'autore (s) e non riflettono necessariamente la vista del NIST o del Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Deuterated Water (99.9%) | Cambridge Isotopes | 7789-20-0 | 83.3 wt % in formulation D2O |
| CTAB- Cetyltrimethylammonium Bromide | Sigma-Aldrich | 57-09-0 | 16.7 wt % in formulation CH3(CH2)15N(Br)(CH3)3 |
| 1/16 in Allen wrench | |||
| 3/16 in Allen wrench | |||
| 3/8 in Open end wrench | |||
| Tape | |||
| Thread seal tape | |||
| Syringes (2) |
References
- Larson, R. G. The Structure and Rheology of Complex Fluids. , Oxford University Press. (1999).
- Wagner, N. J., Brady, J. F.
- Fardin, M. A., et al. Potential "ways of thinking" about the shear-banding phenomenon. Soft Matter. 8, 910-922 (2012).
- Eberle, A. P. R., et al. Shear-induced anisotropy in nanoparticle gels with short-ranged interactions. Phys. Rev. Lett. , (2013).
- Zaccarelli, E. Colloidal gels: equilibrium and non-equilibrium routes. J. Phys. Cond. Matter. 19, (2007).
- Hsiao, L. C., Newman, R. S., Glotzer, S. C., Solomon, M. J. Role of isostaticity and load-bearing microstructure in the elasticity of yielded colloidal gels. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 16029-16034 (2012).
- Zemb, T., Linder, P. Neutron, X-rays, and Light. Scattering Methods Applied to Soft Condensed Matter. Elsevier Science. 552, (2002).
- Eberle, A. P. R., Porcar, L. Flow-SANS and Rheo-SANS applied to soft matter. Curr. Opin. Coll. Inter. Sci. 17, 33-43 (2012).
- Liberatore, M. W., Nettesheim, F., Wagner, N. J., Porcar, L. Spatially resolved small-angle neutron scattering in the 1-2 plane: A study of shear-induced phase-separating wormlike micelles. Phys. Rev. E. 73, (2006).
- Porcar, L., Pozzo, D., Langenbucher, G., Moyer, J., Butler, P. D. Rheo-small-angle neutron scattering at the National Institute of Standards and Technology Center for Neutron Research. Rev. Sci. Instr. 82, (2011).
- Lopez-Barron, C. R., Porcar, L., Eberle, A. P. R., Wagner, N. J. Dynamics of Melting and Recrystallization in a Polymeric Micellar Crystal Subjected to Large Amplitude Oscillatory Shear Flow. Phys. Rev. Lett. 108, 258301-2510 (2012).
- Rogers, S., Kohlbrecher, J., Lettinga, M. P. The molecular origin of stress generation in worm-like micelles, using a rheo-SANS LAOS approach. Soft Matter. 8, 3831-3839 (2012).
- Helgeson, M. E., Porcar, L., Lopez-Barron, C., Wagner, N. J. Direct Observation of Flow-Concentration Coupling in a Shear-Banding Fluid. Phys. Rev. Lett. 105, (2010).
- Helgeson, M. E., Reichert, M. D., Hu, Y. T., Wagner, N. J. Relating shear banding, structure, and phase behavior in wormlike micellar solutions. Soft Matter. 5, 3858-3869 (2009).
- Helgeson, M. E., Vasquez, P. A., Kaler, E. W., Wagner, N. J. Rheology and spatially resolved structure of cetyltrimethylammonium bromide wormlike micelles through the shear banding transition. J. Rheol. 53, 727-756 (2009).
- Liberatore, M. W., et al. Microstructure and shear rheology of entangled wormlike micelles in solution. J. Rheol. 53, 441-458 (2009).
- Maranzano, B. J., Wagner, N. J. Flow-small angle neutron scattering measurements of colloidal dispersion microstructure evolution through the shear thickening transition. J. Chem. Phys. 117, 10291-10302 (2002).
- Wagner, N. J., Ackerson, B. J. Analysis of nonequilibrium structures of shearing colloidal suspensions. J. Chem. Phys. 97, 1473-1483 (1992).
- Zhou, L., Vasquez, P. A., Cook, L. P., McKinley, G. H. Modeling the inhomogeneous response and formation of shear bands in steady and transient flows of entangled liquids. J. Rheol. 52, 591-623 (2008).
- Spenley, N. A., Cates, M. E., McLeish, T. C. B. Nonlinear rheology of wormlike micelles Phys. Rev. Lett. 71, 939-942 (1993).
- Lopez-Barron, C., Gurnon, A. K., Porcar, L., Wagner, N. J. Structural Evolution of a Model, Shear-Bading Wormlike Micellar Soution during Shear Start Up and Cessation. Phys. Rev. Lett.. , (2013).
